（检测技术与自动化装置专业论文）大功率igbt模块并联特性及缓冲电路研究.pdf

独创性申明 秉承千i i 旧优【迫道德传统和l 。浮校的f “瞪学风郑重f l l 明：本人所肇交的学 f 江论艾是我个人化导师指导卜 进行的6 j f 究1 ：作及取得的成果堪我所知 除特圳加以标j t 稿i 致谢的地方外，论丈i r 不包含其他人的旬f 究成果j 我 l , i ik f i ：t j j i , d 志对本丈所论述的j 二作的任何贡献均止住沦文l f i 作r 明确的 蜕u j j 许l 致谢 术论文及坫丰| i 关资料特有不实之处，h i 本人承担一切村j 爻责任 论艾作肯签名：至室益卫哗年弓jjf 三i _ | 保护知识产权申明 本人完令j 解安州i ：大学有关保护知汉产权的规定，即：影 究乍在 校攻改。学化删m j 所取得的所仃砷f 究成果的知识产权属m 安理r 大学所彳j 本人保证：发农或使f h j 本论文丰 l 炎的成果时罾铽单位仍然为婀安h ! t 人 学，厄论何时何地术经学校许i l 决不转移或扩敞1 j 之丰关的 t 何技术 或成果，学校仃权保留本人所提交论文的原件或复l ；l l f , l ：，允许论文被代阅 或借阅；学校可以公m 本沦丈的命部或部分内容，一叮以采圳影印、缩印或 j 他f 段复制保存术论文 ( 加密学化论文解密之前后，以 ：i f i 明同样适用) 论文作者签稆：王室莶 导师签名：殳玉j 刍帅i 多j j ，a1 1 摘要 大功率i g b t 模块并联特性 学科名称： 导师姓名： 作者姓名： 答辩日期： 及缓冲电路研究 捡型楚盔兰自动丝装置 孙强( 麴援2 签字： 三雪荭 签字： 星q q 4 生3 旦 摘要 本文在分析了中大功率i g b t 特性、= 作原理及应用背景的基础上，将其作 为材料表面防护处理的特种脉冲电源主功率开_ 芙器件。针对电源设备的进一步功 率扩容要求，采用了i g b t 扩容的并联方法，从理论上分析了影响i g b t 并联动静 态不均流的各种因素，提出了相应的解决措施，并进行了仿真分析。针对i g b t 工作过程中出现的电压尖峰、电流尖峰和大的开关损耗问题，本文首先从理论上 详细分析了i g b t 逆变桥缓冲电路的工作原理，推导出缓冲电路各元件的参数计 算公式，讨论了缓冲电路各元件参数对芙断电压波形的影响并进行了仿真分析。 在此基础上，针对特种脉冲电源的具体要求，将i g b t 的并联扩容方法和抑制电 压尖峰的缓冲电路设计方法，成功用于这种特种脉冲电源中，进一步验证了采用 i g b t 模块并联扩容的可行性和辅助缓冲电路的有效性。 关键词：i g b t ，并联，静态均流，动态均流，缓冲电路，r c d 获国家“十五”重大专题( 2 0 0 1 b a 3 1 1 a 0 6 3 ) 项目资助 a b s t r a c 丁 r e s e a r c ho np a r a l l e l i n go fh i g h p o w e ri g b ta n dd e s i g n i n g s n u b b e r sf o rp u l s e dp o w e rs u p p l y a d v i s 0 r 蚯趟她丛 a b s t r a c f l t h isp a p e ri n v e s t i g a t e st h el n s u l a t eg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ( i g b t ) u s e da st h em a ins w i t c hinp u ls e dp o w e rs u p p l y f i r s t ly t h ei g b t s c h a r a e t e r is t i c s ，p r i n e i p l ea n da p p ic a t i o n sa r ein t r o d u c e d s e c o n d l y ，t h e m e t h o d so fp a r a ll e i n gi g b t sa r ep r e s e n t e dt oe n l a r g eo u t p u tp o w e ro ft h ep o w e r s u p p l yw h e ni g b tp a r a l l e l e d ，d u et ot o l e r a n c e so fs e m i c o n d u c t o r s ，g a t e d r i v e 。 a n dm e c h a n ic a lp a r a m e t e r s ，t h et o t a ll o a dc e r r e n tisn o ts h a r e de q u a l l yb e t w e e n p a l l a ll e l e di g b tp o w e rm o d u l e s t h em e t h o d st oa c h i e v i n gb a l a n c e dc u r le n ta r e p r e s e n t e da n ds i m u l a t e dj nt h i sp a p e rt h i r d l y ，t h es n u b b e r sa r ed e s i g n e dt o c o m p r e s st h es w it e h i n gv o l r a g et r a n s i e n t w h e ni g b ti sa b r u p t l yt u r n e do f f ， t r a p p e de n e r g yi nt h ee i r e u i ts t r a yi n d u c t a n c ei sd i s s i p a t e di ni g b t ，c a u s i n g av o lr a g eo v e r s h o o ta n dd a m a g i n gf g b tt h isp a p e ra n a l y z e st h ep r in c i p l eo f t h es n u b b e ra n ddis c u s s e st h ei m p a c to f t h ep a r a m e t e r so f t h es n u b b e ro n v o l t a g eo v e r s h o o t t h ep r o p e rs n u b b e risd e s i g n e da n ds i m u l a t e df o rp r a e t i c a l p o w e rs u p p ly f i n a l l y ，t h es o l u t i o n sa b o v em e n t j o n e da r eu s e di nd e s i g n i n g p r a c t i c a ip o w e rs u p p l y t h ee f f e c t i v e n e s sisv e r i f i e db ys i m u t a t i o n sa n d e x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：i g b t ，p a r a l l e li n g ，s t a t ic c u r r e n tb a l a n c e ，d y n a m i ec u r r e n t b a i a n c e ，s n u b b e r 。r c d 2 概迷 1 概述 1 1 本课题的研究背景 1 1 1 特种脉冲电源主开关器件的选择 本课题主要研究内容源于种用于材料表面防护的双向不对称特种 脉冲电源，工艺要求在工件表面施加高电压、大电流的双向不对称脉冲 波形，特种脉冲电源的主要指标如下： 电源容量： 1 6 0 k v a 脉冲电压峰值：0 8 0 0 v ，连续可调 最大平均电流：0 2 0 0 a ，连续可调 脉冲频率：0 5 k h z ，连续可调 脉冲占空比：5 9 5 ，连续可调 换向频率：0 2 0 0 h z ，连续可调； 脉冲换向比：o 1 0 0 ，连续可调 正负脉冲幅值和个数单独连续可调 由于工艺对其加工电源的特殊要求，作为电源主电路的核心一功率 开关器件的选择就显得尤为重要，性能优良的开关器件能提高电源的性 能，可在恶劣的工作条件下( 本文中主要指强电压、大电流的冲击) 可 靠地工作。 传统的半控型电力电子器件只能通过门极控制信号使其开通，而不 能使其关断，这使它的应用范围受到了限制。二十世纪七十年代后期， 各种高速、全控型的器件的出现，如g t o 、g t r 、m o s f e t 、i g b t 、 西安理工大学硕士学位论文 s i t 、s 1 t h 、m c t 等，大大满足了工业要求。不i 司的功率丌关器件在彳i 同的频率范围、功率等级和应用领域内有其各自的优势，因此首先必须 选择合适的功率开关器件。图1 一l 给出了常用的功率开关器件的适用范 围永意图： 艺 黜 袖 工作颡翠 圈卜l 常用功率开关器件的使用范围示意到 g 。r o 是| _ j 前耐压最高、电流容量最大的。种器件但其t 作频率较 低，驱动电路复杂，应用受到一定局限。电力晶体管g t r 是一种取极性 半导体，其优点是通态压降小、载流能力高，产品已实现模块化，在中 小容量装置中得到推广；但它是流控器件，开关增益小，驱动电路较为 复杂，影响了逆变器的工作频率与输出波形；电力m o s f e t 具有输入阻 抗高、躯动功率小，开关速度快等优点，在中小功率场合应用广泛，但 器件功率等级低，导通压降大，限制了逆变器的容量。 二十世纪八十年代后期出现的绝缘栅极双极晶体管i g b t 是种新 型的复合器件，它实际上是用m o s f e t 驱动的厚基区g t r 。它把 m o s f e t 的输入阻抗大、开关速度快的优点和g t r 通态压降小、载流 能力大的优点集于一身，性能十分优越，具有输入阻抗高、工作速度快、 通态压降低、阻断电压高、承受电流大，且易于驱动，是一种比较理想 的全控型器件。由于i g b t 的特点，其应用领域迅速扩大，特别适合于中 高压、大电流、中高频率的应用场合。 概述 1 1 2 本课题的提出 目前市场上提供的商品化i g b t 模块的容量已经大大提高， 3 0 0 a 4 0 0 a 1 2 0 0 v 1 7 0 0 v 等级的i g b t 已能够满足目前大部分电源主开 关器件的要求。但随着工业化量产对电源设备的功率等级进一步扩容的 要求，这就对i g b t 的容量提出了挑战；而且当i g b t 工作在较高频率 时，i g b t 在开通和关断的瞬间将承受很大的浪涌电流和尖峰电压，势 必造成i g b t 的功耗加大，模块过热，严重时会使器件失效甚至损坏主 电路。针对以上问题，本课题主要研究i g b t 扩容的并联方法并设计适 当的缓冲电路满足电源输出功率等级的要求并保证器件的安全工作。 1 2 并联及缓冲电路发展现状 1 2 1i g b t 并联特性的研究现状“ 当单个主开关器件的容量不满足功率要求的时候，通常有两种方法 来提高功率等级：其一是直接选用更大功率等级的器件；其二是采用功 率等级较小、市场货源充足、驱动功率低且线路简单的i g b t 模块，通过 串、并联使用来满足耐压、耐流等级的要求。由于i g b t 经常工作在高频 开关电路中，常用的电阻与电容串并联链在解决动念均压时，由于分布 参数的影响，难以做到十分满意，所以通常不串联使用。而i g b t 的通态 压降在l 2 或1 3 额定电流以上的区段具有正温度系数，在并联使用时 具有电流的自动均衡能力，因此易于并联使用。 由于单纯采用高功率等级i g b t 模块将加大电源成本和驱动电路的 复杂性，尤其在电源中试阶段运行风险很大，可靠性不高，加之高功率 等级的i g b t 模块供货渠道不畅，因此，采用多管并联提高电流定额以满 足输出功率等级要求，具有很高的实际应用价值。然而，由于并联的i g b t 3 西安理工大学硕士学位论文 自身参数的4 i 一致及电路布局的不对称，势必引起器件电流分配的不均 衡，严重时会使器件失效甚至损坏主电路。为此，必须采取相应的措旋来 解决并联器件的均流问题。 1 2 2 缓冲电路的进展 i g b t 兼有m o s f e t 和g t r 的双重优点，但当i g b t 工作频率较高 时，由于主回路中寄生电感的影响，i g b t 在开通和关断瞬间将承受很 高的浪涌电流和浪涌电压，当超出安伞工作区或极限参数限制范围时， 会危及器件的安全，甚至损坏主电路。为了有效的吸收浪涌并减小t g b t 模块的丌关损耗，常用的两种方法是增加缓冲电路和采用软丌关技术。 缓冲电路也称吸收电路，其主要作用是_ 辞j 来控制 g b t 等功率器件 的荚断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压，减少开关损耗。缓冲电路 足最早的 关工作条件改善技术，其基本原理是利用电容两端电压和电 感电流不能突变的特性，在主管开关期问避免它同时承受高电压大电流， 实现丌天工况的软化；同时，将开关损耗由主开关器件本身转移至缓冲 电路内，达到保护主开关器件的目的。 根据转移能量的方式，将缓冲电路分为两类：馈能式缓冲电路，即 将转移至缓冲电路的开关损耗能量回馈至电源或负载，这种电路效率较 高但电路结构复杂参数整定困难，目前在i g b t 缓冲电路中较少使用。另 一种是耗能式缓冲电路，即将转移至缓冲电路的能量主要消耗在电阻上， 这类电路结构简单，能有效地抑制开关管关断时的过冲电压、减小开关 管的关断损耗，但总的损耗不能减少。 软丌关技术则主要是利用感性和容性元件的谐振原理，实现功率开 关器件的零搅耗开通和关断，减少开关应力。 本课题中，功率器件开关损耗与电源输出功率等级相比微乎其微， 主要茸的是防止通断过程中浪涌参数对开关器件安全工作的威胁，经综 概述 合分析和权衡，采用传统的耗能式缓冲电路来抑制开关管关断过程中的 电压尖峰，保护器件安全工作。 1 3 课题目的和主要任务 i 针对i g b t 并联使用中存在的问题，如动态均流、静态均流以及寄生 参数等的影响进行理论研究、电路仿真，确定电路方案，实现 ( 3 0 0 4 0 0 a 1 2 0 0 1 7 0 0 v ) i g b t 模块的并联扩容，并应用于实际电 源装备中。 2 针对实际双向不对称脉冲电源逆变电路中出现的高浪涌电压和电流 以及较大的开关损耗导致主开关器件易损坏和过热等现象，研究比较 i g b t ( 3 0 0 4 0 0 a 1 2 0 0 1 7 0 0 v ) 的各种缓冲电路拓扑的有效性，通 过仿真计算和实验测试，确定最佳的缓冲电路拓扑结构和参数范围， 设计出适用于实际脉冲电源的缓冲电路。 大功率i g b t 工作原理及应用要求 2 大功率l6 b t 工作原理及应用要求 绝缘栅双极晶体管( i n s o l a t e dg a teb ip o l a rf i f a l l s isl o f ， 6 b t ) 赴2 01 计纪8 0 年代后开始商品化膊用，它是由m o s f e t 和g t r 槲结合的双 机理复合器件( d o u b l em e c h a n is md e v ic o ) 。它综合了m o s f e t 和g 1 f 的优点。目前i g b t 的容量已超过了g t r ，征电机控制、中高频开关电源， 以及要求中大功率、低损耗的领域，i g b t 有着明显的优势“”“”1 。 2 1ig b t 的工作原理和工作特性 2 1 1 工作原理 i g b q 、结构上与m o s f e t 十分类似，相当丁一个由m o s f e q 、驱动的厚 基区g 1 r ，其简化等效电路及常用符号示于图2 1 。图中，m o s f e t 为 n 沟道型，g t r 为p n p 型；电阻r d ，是p n p 晶体管基区内的调制电阻。 i g b q l 是以g t r 为主导元件，m o s f e t 为驱动元件的达林顿结构器件。 。c ( d ) p c 。ji d e ( s ) ( b ) 图2 1i g b t 的简化等效电路与n i g b t 的幽形符号 i g b t 的工作原理：i g b t 由栅- 射电j - e , “。的正、负来控制。当为 正且大于开启电压u 。、时，m o s f e t 内形成沟道，并为p n p 晶体管提 供基极电流，从而使i g b t 导通。当栅射极间施以反向电压或不加信号 西安理工大学硕士学位论文 时，i g b t 工作过程相反，形成关断。 2 1 2 基本特性与主要参数 a 静态特性 i g b t 的静态特性主要包括伏安特性、转移特性和静态开关特性，分 别见图2 2 所示。 一， ( a ) 伏安特性( b ) 转移特性( c ) 开关特性 图22i g b t 的静态特性 伏安特性是指以栅一射电压。为参变量时，集电极电流和集一射 电压。间的关系曲线。随着。的增加，特性曲线上移。每一条特性曲 线分为正向阻断区、有源区和饱和区。当， 0 5 时，易产生振荡。 西安理工大学硕士学位论文 q = 斋b 摆端( 3 - 1 3 ) 式t3 - 13 ) 表明：当( l g l + l g 2 ) 较大，( c g f l + c g c 2 ) 较小，或者 栅极电阻( r 。+ r 。) 较小，都会导致寄生振荡的产生。 栅极半联电5 h 剥i g b t 的开关时间影响很大。开通h , ji b j 和丌通能耗 主要取决_ 丁栅极电阻的大小，栅极电阻较小可以提高玎关速度，降低开 关损耗，同时导致较高的d i d t ，可能产乍寄生振荡：而栅极电阻对关断 时i h j 的影响相对较小，但是，较小的栅极电阻可以减小关断延迟时间， 从i f i j 减小所需要的死区时问。因此，栅极串联电阻的差异必然对并联 i g b t 的均流情况产生较大的影响。当栅极寄生电感较小时，i g b t 关断 时的寄生振荡较小，当栅极电感超过某一值时，引起大幅度的寄生振荡， 使得某路l ( 、的栅一射电压低于 启电压，导致并联两管交替导通。 冈此，器什并联使用时，必须考虑驱动电路各参数对并联均流的影响。 c 其它影响动态均流的因素 回踌寄生电感特别是射极引线电感的不同将会影响到器件开关时刻 的小同步，进而影响动态均流；温度不平衡也会影响动态均流，甚至导 致单管过热而损坏。 d 动态降额率 由于丌天时刻的动态电流不均衡，当器件工作在高频情况下需要 考虑动态降额。动态降额率“”既可由以下公式定义： 岛= l f ( 盯。一1 ) 0 一妒) + 1 】以。 ( 3 1 4 ) 其中以足动态降额率，i 3 。是并联模块的数目，妒为动态不匹配度， 定义为： 妒= t ( 雕) c ( p ，) ( t t l a 。j ( 3 一l j ) 其巾，q p = i c ( p k ) ( m a 。) - - 如m 舢 c ( p k ) ( m a x ) 为单个模块的独立运 行时的最大允许峰值电流，i c ( p 肼m m ) 为并联运行时单个模块的最小峰值 电流。 i g b t 模块的并联特性分析 一般说来，静态降额率高于动态降额率，实际并联应用中须根据具 体情况合理地降额使用。 3 1 3 改善并联均流的措施 影响并联均流的因素有很多，要获得理想的均流效果，要求做到： 尽量选取特性一致的器件进行并联。- 使用独立的栅极电阻消除寄生振荡。 选用同样的驱动电路，尽可能降低驱动电路的输出阻抗和回路寄 生电感。 设计和安装时尽可能使电路布局对称和引线最短，以减小寄生参 数的影响。 将并联模块放置在同一块散热装置上，尽量使模块工作温度相差 在1 0 以内。 另外，当负载为感性时，随着频率的增加，电流不均衡程度会减小； 而当输出电流一定时，较小的占空比有利于电流均衡“”。 当并联的器件特性不易选配一致时，可主要通过调节栅极电阻值来 改变器件的栅极充放电时间，从而改善电流的不均衡。 3 2 对并联不均流的仿真分析 下面利用电路仿真软件p s h c e 对本课题电源主电路的相关部分进 行仿真，详细讨论影响i g b t 并联运行时分流不均的各种因素。两路t g b t 并联的仿真线路如图3 4 所示，仿真线路中考虑了缓冲电路及各种寄生 参数的影响。 西安理工太学硕士学位论支 图3 4 仿真实验电路酗 图中，z ，、z ：均为三菱电机公司生产的i g b t 半桥模块c m 3 0 0 d y 2 8 h 的p s p f c e 模型，采用半桥模块( 这罩相当于两个单元串联应用) ，其目 的是提高器件的耐压等级，单管耐压1 4 0 0 v ，集电极额定电流3 0 0 a ；t = 2 5 时，v c m = 3 i v ，p 矗( m ) 2 7 0 5 v ，d ( 。) 。2 5 0 n s ，f ，2 5 0 0 n s ， 灿) = 3 5 0 n s ，7 ，= 5 0 0 n s 。v - 为驱动信号，其输出是占空比为5 0 的方波， j f 负偏压分别为15 v ，一9 v ：v c c 是输出电压为1 0 0 0 v 的直流电源；l i o a d ， r l 为负载；开关频率为l o k h z ；r g l ，r 9 2 为栅极串联电阻； l , 9 1 ，l 9 2 ，l c l ，l c 2 ，l e l ，l e 2 分别为i g b j f 的栅、集、射极引线电感；r l ， r 2 是为了防i r 栅极开路而设置：d 1 ，d 2 ，v d i ，v d 2 均为续流二极管； d s l ，d s 2 ，r s l ，r s 2 ，c s l ，c s 2 为缓冲电路各参数；l s l ，l s 2 为缓冲电路的寄 生电感。 采用冈34 所示的仿真线路，器件参数完全一致，电路布局完全对 称( 以下简称理想情况) 情况下的集电极电流波形如图3 5 所示。 从图3 5 可以看出，理想情况下，并联两管z 。、z ：的集电极分流情 况几乎完全一致。也就是说，理想情况下，均流效果达到理想状态。 i g b t 模块的并联特性分析 ；i ! 一 一 _ ： f ： i c ( z 1 ) 图35 理想情况下的分流情况 3 2 1 驱动电路对并联均流的影响 a 栅极串联电阻对并联均流的影响 仿真线路如图3 - 4 所示，各参数同理想情况，当不加栅极电阻，i g b t 关断时出现剧烈振荡。图3 - 6 为串联较小的栅极电阻( r g l ：r 9 2 = 0 5 q ) 时的集电极电流波形。图3 7 为串联栅极电阻不一致( r g l = 3 q ，r 9 2 = 2 5 q ) 时的分流情况。 ；j 黔 r l i i l 卜 - i l i l 辱 l 誊i 豢 一强j 渤睢l ； ( a ) 开通波形( b ) 关断波形 幽3 6串联栅极电阻较小时的集电极电流 由图3 - 6 ，3 - 7 可以看出，在器件参数一致，电路寄生参数一致的情 况下，当串联栅极电阻过小且一致时，并联两管仍能同时开关，但在开 西安理5 - 大学硕士学位论文 通和j 关断时均有振荡，这对i g b t 的安全1 二作很不利；当串联栅极电阻合 适，但不匹配时，对静态均流影响较大，丽且，在关断时刻有微小振荡。 因此，为保证1 g b t 安全工作，必须串联合适的栅极电阻来消除寄生振荡： 为了获得良好的均流效果，尽可能的使串联栅极电阻匹配。 i 。；i f 4 - 、f i 掣魏 z ； 瓣、! l 毡 撼j c 矗矗k ? k 堪 ： 一j k 。一 ( a ) ， 通波形( b ) 羌断渡形 图3 7串联栅极电阻1 ；一致时的分流情况 b 栅极寄生电感对并联均流的影响 仿真线路如图3 - 4 所示。改变栅极寄生电感，其它参数同理想情况。 当栅极寄生电感很小时，不产生寄生振荡。图3 - 8 ( a ) 为栅极寄生电感差 异较小( l g l = 2 0 n h ，l 9 2 = 4 0 n h ) 时i g b t 的关断电流：图3 - 8 ( b ) 为差 异较大( l g l = 2 0 n h ，l 9 2 = i o o n l l ) 时，并联两管的关断电流分流情况。 了 i i 7 ， - 岛； ! 瓣 ，鲡￥ 一：酗 i 、) 搬王一 - 一、积t w 4 、一 ( a ) 差异较小时( b ) 差异较大时 图3 - 8 栅极寄生电感不匹配时并联i g b t 的关断电流 i g b t 模块的并联特性分析 由图3 8 可以看出，栅极串联电阻选择适当情况下，当栅极寄生电 感差异较小时，并联两管能够均流，在关断时有微小振荡；当栅极电感 差异较大时，并联两管在关断时出现电流分配不均衡，并且，栅极电感 较大的管子关断时的振荡严重。 图3 - 6 、3 - 7 和3 - 8 的仿真结果也验证了式31 3 的正确性。 3 2 2 器件参数对并联均流的影响 采用图3 - 4 所示的仿真线路，用两个参数不一致的管子并联作为主 开关器件，其中z 1 为c m 3 0 0 d y - - 2 8 h ，z 2 为c m 3 0 0 d y 一2 4 h ，饱和压降分 别为3 1 v 、2 5 v ，开启电压分别为7 0 5 6 0 v 、6 8 5 6 9 v ；r g l ：r 9 2 ：3q ； 其它各参数同理想情况。此时集电极电流波形如图3 9 所示。 j；：， i ；l； ；l：，“ i = 。石l 弧ji ，i c ( n ) i j；! p iu 童壮 誊遮 【a ) 升逋艘彤( b j 关鼢城彤 幽39 器件参数不一致时的分流情况 由图3 9 可以看出，器件参数有差异时，并联两管开关时刻不能同 步，而且稳态时，器件参数( 饱和压降，开启电压等) 均较小的i g b t 模块( z 2 ) 承受大部分的电流，同时也就有较大的丌关损耗。这是因为， 器件参数较小的模块在开通时刻首先开通，在关断时最后关断，承担大 部分电流；在稳态时，器件参数较小的模块具有较小的通态电阻，因而 承担大部分电流。当器件参数差异较大，负载电流较大时，分流不均的 西安理工大学硕士学位论文 情况更加严重；甚至损坏器件和主电路。器件参数对并联不均流的影响 较大，在选配用于并联的i g b t 模块时，尽可能的选用参数一致的管子。 3 2 3 引线电感对并联均流的影响 a 集电极引线电感的影响 改变集电极引线电感，其它参数同理想情况。图3 一1 0 ( a ) 为集电极 引线电感差异较小( l c l = 2 0 n h ，l c 2 = 4 0 n h ) 时，i g b t 的关断时的分流 情况：图3 1 0 ( b ) 为筹异较大( l c l = 2 0 n h ，l c 2 = 1 0 0 n h ) 时，并联两 管的关断电流分流情况。 、： ，蒸j 。 。寸v ? 、o o 、： ： _ 卜 i ? 繁隧 i 警口 藤： ( a j 差异较小时( b ) 差异较人对 图3i 0 集电极引线屯感1 i 致时的关断电流分流情况 由蚓：卜1 0 可以看出，集电极引线电感的不一致对并联i g b t 丌通时 的分流情况基本没有影响；当集电极电感差异较大( l c 2 l c l ) 时，对 关断电流略有影响，同时，l c 2 对集电极电流上升的阻碍较大，使得i c ( z 2 ) 较小，i c ( z 1 ) 较大，从而z 2 的热损耗较大。但对并联两管开通与关断 的同时性影响很小。 b 射极引线电感的影响 仿真线路如图3 - 4 所示，改变射极引线电感，其它参数同理想情况。 当l e l = 2 0 n i l ，l e 2 = 4 0 n h 时，两管的集电极分流情况如图3 11 所示。 i g b t 模块的并联特性分析 j 力 、# a 0 i 函 f ；ni 娃 ；i 贬 ；ic豳ii l v 吣。 ( a ) 丌通波形( b ) 关断波形 斟3 1 i 射极引线电感不一致时的分流情况 从图3 1 l 可以看出，当射极引线电感差异较大时，并联两管在开通 和关断时刻的分流不均现象严重。当集电极电流突然变化时，在射极电 感上产生阻止电流变化的电压，从而导致开关时间增加。如果对射极电 感不加控制，开关时间将会增加，导致并联器件的严重不均流。因此， 为了减小动态不均流，必须尽可能的减小射极引线电感的差异，并且使 得射极引线电感最短。 3 2 4 温度对并联均流的影响 i g b t 模块对温度变化很敏感，其特性曲线随温度的变化而变化， 所以，温度也会影响并联器件的均流情况。已知，某并联两i g b t 在常 温( 2 5 。c ) 下不均流，电流不平衡率( d ：拿生+ 1 0 0 ) 为4 0 7 ， c “ 对其进行温度分析，得到其总电流和电流不平衡率随温度变化的关系曲 线如图3 1 2 所示。 西安理工大学硕士学位论文 2 ( a ) l f ) z ： 一 ，) j 磐 啊 - 辱 jc 叩：0 图3 一1 2 总电流和电i j l i 不p 衡率随温度变化的关系幽 1 一电流小平衡率口； 2 - - 总电流，( 、m ， 由图31 2 可以看出，当并联两i g b t 的总电流从8 7 6 5 a 增加到8 9 8 a 时，电流不平衡率“仅从4 0 7 增加到4 1 7 。这是因为所采用的新一 代i g b t 具有正温度系数，并联运行时具有自动均流能力。 3 3 改善并联不均流的仿真分析 3 3 1 调节栅极电阻法 当并联的器件特性不易选配一致时，可主要通过调节栅极电阻值来 改变器件的栅极充放电时间，从而改善电流分配的不均衡。 本节主要采用栅极电阻补偿方法以改善电流分配的不均衡，并利用 电路仿真软件p s p i c e 对半桥i g b t 模块的并联不均流问题进行分析。仿 真线路如图3 一1 3 所示，各参数意义同图3 - 4 ，l p 为主回路杂散电感，c 1 为均压电容。 i g b t 模块的并联特性分析 辚 m ： 野 簪1 剖3 1 3 布局对称的仿真线路圈 a 用两个饱和导通压降不一致的管子并联作为主开关器件 采用图3 一1 3 所示的仿真线路，z l 、z 2 的饱和压降分别为3 1 v 、2 5 v ， 其它模型参数相同；假设电路布局及寄生参数完全对称。不采取措施时 的分流情况如图3 - i 4 所示；低饱和压降的管子采用栅极电阻补偿后的分 流波形如图3 1 5 所示，r g l = 3 q ，r 9 2 = 3 5 q 。 由图3 。1 4 可以看出，饱和压降低的模块具有较小的通态电阻，先开 通后关断，在导通期间承受大部分的电流，丌关损耗较大。图3 一1 5 表明 对低饱和压降的管子采用栅极电阻补偿后，不均流的状况明显改善。可 见，在电路布局完全对称情况下，采用对低饱和压降的管子进行栅极电 阻补偿可以有效的改善静态电流不均衡。 蟛：一l ， i ；? ” 二塾 7 ( a ) 通志波形 j 繁 - 。t 惑 n 6 1 黪 繁 ，：一； i 譬一 f b ) 关断波形 图3 1 4v 。不一致时补偿前的分流情况 西安理工大学硕士学位论文 i cc z = ) 幸# r r 一 氐 kz c c 2 丛 、； 掣m 誊t 7 = ! = 兰五一一 ( a j 通态波形( b ) 关断波形 图3 1 5v 川不一致时补偿后的分流情况 b 用两个转移特性不一致的管子并联作为主开关器件 采用图3 1 3 所示的仿真线路，z l 、z 2 的开肩电压分别为7 0 5 6 0 v 、 6 5 5 6 0 其它模型参数相同：假设电路布局及寄生参数完全对称。不采 取措施时的分流情况如图3 1 6 所示；对低开启电压的管子采用栅极电阻 补偿后的分流波形如图3 17 所示，r 9 1 = 3 q ，r 9 2 = 3 5 q 。 从图3 16 可以看出，转移特性陡峭的管子在开关时刻承受比较大的 动态电流，因而产生较大的开关损耗。这种差异在关断的时候更明显。 图3 一1 7 为对转移特性陡峭的管子进行栅极电阻补偿后的分流情况。可 见，在电路布局完全对称情况下，采用对低开启电压的管子进行栅极电 阻补偿可以有效的改善静态电流i ；均衡和开关时刻的电流不均衡程度。 脚 ) 7 k - li 上a 毒童i ； * 黧 聪! i 氍 n e t i - t ( a ) 通态波形 ( b ) 天断波_ 形 图3 一1 6 转移特性小一致时补偿前的分流睛况 i g b t 模块的并联特性分析 ，等等 i cc z j 瑶z ! ： j 再 冁 z 2 ) ： ： 、。 ( a ) 通态波形( b ) 关断波形 图3 一1 7转移特性不一致时补偿后的分流情况 以上分别针对饱和压降不一致对静态均流的影响和转移特性不一致 对动态均流的影响进行了分析，并提出了采用栅极电阻补偿改善动静态 不均流的方法，由仿真分析可知，采用合适的栅极电阻补偿可使并联各 器件基本上同时开关，能够有效的改善静态不均流和动态不均流的情况。 当并联器件的参数不易选配一致时，通过调节栅极电阻，使得并联 两管开通和关断趋于同步，从而改善动静态分流不均的情况。在实际应 用中，当饱和压降不一致和转移特性不一致的情况同时存在时，往往需 要折中考虑需要串联的栅极电阻值。当并联器件工作在低频状态时，主 要考虑改善静态不均流的情况；当工作频率较高时，主要考虑改善并联 器件的动态不均流。 3 3 2 串联电阻法 由3 2 1 节的分析知，当驱动电路输出阻抗不一致时，严重影响并 联i g b t 之间的电流均衡。因此，必须采取措施来改善这种情况。本文 提出了在并联i g b t 的栅极问串联补偿电阻的改善方法“”，并进行了仿 真分析，仿真线路如图3 18 所示。 西安理工大学硕士学位论文 图3 1 8 采取改善措施后的仿真线路 图中，电阻r c 串接于并联 g b t ( z 1 、z 2 ) 的栅极之间，朋于补偿 栅极阻抗不一致引起的不均流；其它各参数意义同图3 1 3 。栅极阻抗不 一致刚，补偿前后的分流情况如图3 一1 9 所示。 由图3 一1 9 可以看出，采用串联r c 的方法可以有效的改善由驱动电 路输出阻抗不一致引起的并联不均流情况。 ( a ) 补偿前 斛墨篓 )- 。- c c z l ? 。 | ( b ) 补偿后 幽3 1 9 驱动电路输出阻抗不一致时补偿前后的分流情况 3 4 并联模块的驱动及布线 并联模块的驱动一定要做到同步，最好选用驱动能力强的驱动器 i g b t 模块的并联特性分析 同时驱动多路并联模块。图3 2 0 给出了两个模块并联的驱动示意图。各 支路的栅极串联相同阻值的电阻，用来防止栅射极间的寄生振荡；电阻 r e x 是作为辅助射极均衡电流。 图32 0 井联i g b t 的驱动不恿图 驱动电路到模块的栅极、射极引线要尽量短，并且采用双绞线，使 回路的等效阻抗一致。各模块的栅极分别接上推荐的r g ，并尽可能使 r g 误差最小。主电源到各模块之间的接线长短及引线电感要相等，元件 布局应对称，引线长短一致，并尽量短。控制回路中的接线应为抗噪声 线，接线时应使用双芯线或屏蔽线。主电路需采用低电感接线，使接线 尽量靠近各模块引出端，使用截面积较大的铜排或扁条线，以尽可能降 低接线的电感量。各模块应平行放置，尽量靠近，以减小回路中的寄生 电感的不平衡。c 、e 间引线也应该从并联模块的中间引出，且不要与 直流进线平行，以避免相互影响。 i g b t 缓冲电路的分析与设计 4ig b t 缓冲电路的分析与设计 缓冲电路又称吸收电路，在电力半导体器件的应用技术中起着重要 的作用。因为r 乜力半导体器件的呵靠性与它在电路中承受的各种应力( 电 的、热的) 有关，所承受的应力越低工作可靠性越高。电力半导体器件开 通叫流过很大的电流，阳断时承受很高的电j f , i ：尤其在开关转换瞬间， 电路中各种储能元件的能量释放会导致器件经受很大的冲击，可能超过 器件的安全工作区而导致损坏。缓冲电路的主要作用是用来控制i g b t 等功率器什的关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压，减少器件的开 关损耗，充分利用i g b t 的功率极限。缓冲电路将开关损耗从器件本身转 移至缓冲器上，目的是使功率器件损耗减少，保证安全工作，但总的开 关损耗并未减少。 4 1l g b t 的缓冲电路概述 4 1 1 开关管缓冲电路的分类和作用 存以i g b ”i 为主开关器件的逆变电路应用中，存在以下几个问题： i g b t 开通时的d i d t 和关断时的d v d t 均不能超过限定值，否则会烧坏管 芯或使其误导通；i g b t 开通或关断时，因为回路分布电感和变压器漏 感的作用，存，f 关管两端或在与之同处一桥臂上的另一只开关管两端会 产生电压尖峰，若不采取拮施，这个电压尖峰叠加原来的电源电j 芷会超 过管了的安全工作区而使管子损坏。缓冲电路的作用就是针对上述情况 进行限制，以保护i g b t 安全工作。 缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路又称 西安耍2 ：r - 大学硕士学位论文 为d r d r 抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换向过电压，抑制d v d t ， 减小器件关断损耗。开通缓冲电路又称为d i d t 抑制电路，用于抑制器件 开通时的电流过冲和d i d t ，减小器件的开通损耗。可将关断缓冲电路和 开通缓冲电路结合在一起，称为复合缓冲电路。 如无特别说明，通常缓冲电路专指关断缓冲电路，而将开通缓冲电 路叫做d i d t 抑制电路。如图4 1 “”为具有缓冲电路和d i d t 抑制电路的 典型逆变器的一个桥臂的电路图和波形图。 制电雎 g b t 缓冲电路的分析与设计 4 1 。2i g b t 缓冲电路特点及常用拓扑结构 在以g t o 、g t r 为主开关器件的逆变电路应用中，人们提出了多种低 损耗的缓冲电路，如u n d e l a n d 缓冲电路、m a m u r r y 缓冲电路等。但是f g b t 缓冲电路和传统的g t r 缓冲电路特点不同，主要表现在：i g b t 的安全t 作范围较人，缓冲电路不需要保护抑制那利，伴生达林顿g t r 的二次击穿超 限，只需控制瞬态电压；般应用中，i g b t 的工作频率比g t r 高得多， 在每次开关过程中缓冲电路都要通过i g b t 或自身放电，造成总的开关损 耗较大。因此以i g b t 为主开关器件的逆变器原则上无需开通吸收电感， u n d e l l a n d 和m a m u r r y 缓冲电路并小适合丁i g b t 逆变器”“。 设计i g b t 缓冲电路应考虑的主要因素有：功率电路的布局结构、功 率等级、【。作频率和成本。图4 2 给出三种通用的i g b t 缓冲电路。 l = 铷 - j 0 ： j # j：卜 a bc 图42 通用i g b t 缓冲电路拓扑结辛勾 缓冲电路a 由个无感电容并在i g b t 模块的c l 和e 2 之问，这种缓 冲电路适用于小功率等级，对抑制瞬变电压非常有效且电路简单，成本低。 随着功率级别的增大，a 型缓冲电路可能会与直流母线寄生电感作减幅振 荡。缓冲电路b 使用快恢复二极管解决厂这个问题，该二极管可箝位瞬变 电压，从而抑制振荡的发生。缓冲电路b 的r c 时间常数应设为该开关周 期的1 3 ( t - t 3 = 1 3 f ) 左右。对于大功率级别的i g b t 工作，缓冲电路 b 的回路寄生电感将变得很大，不能有效地控制瞬变电压。这种场合可采 西安理工大学硕士学位论文 用c 型缓冲电路，其功能与b 型类似，而且它直接连接到每个i g b t 的集 电极和发射极，具有寄生电感较小的优点，可有效地抑制振荡和控制瞬变 电压，但电路结构相对复杂，元件多，成本高。在极大功率的应用电路中， 联合使用a 型和c 型，可以减小缓冲电路二极管的应力。 4 2 缓冲电路的工作原理及参数计算 4 2 1 尖峰电压产生的原因“2 1 s t 关断尖峰电压 i g b t 的关断尖峰电压是由于通过i g b t 的电流，在i g b t 关断时被中 断而产生的瞬态高电压。为了更好地解释这一现象，我们采用图4 3 所 示的感性负载半桥电路的关断过程来说明。 图4 - 3具有感抗的半轿电路 假定上桥臂q ，截至，下桥臂q ：处于开通状态。若主回路为理想电路 且不存在寄生电感，当下桥臂q ：由导通变为截至时，由于感性负载电流 不能突变，将通过上桥续流二极管d ，续流，以构成电流回路。此时下桥 臂电压比2 e 2 将上升，直到它的值达到比母线电压c 高出一个二极管的 压降值，才能使上桥臂q ；的续流二极管d ，导通以防止电压进一步增加。 但在实际的功率电路中存在寄生电感，如图4 3 中的等效寄生电感上p 。 i g b t 缓冲电路的分析与设计 当下桥截至时，电感邱阻止负载电流向上桥i g b t 的续流极管切换。 在该电感两端产生阻止母线电流增加的电压咋( 瞻= 砩d i d t ) ，它与电 源电压相迭加并以尖峰电压的形式加在下桥 g b t 的两端。在极端情况 下，该尖峰电压会超过i g b t 的v 。额定值，并能使i g b t 损坏。在实际 应用t f l ，寄生电感p 分布于整个功率电路巾，但其效果是等同的。 b 续流二